JP6114197B2

JP6114197B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6114197B2
Application number: JP2013544258A
Authority: JP
Inventors: 翔横山; 水野　康; 康水野; 幸弘川路
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2032-11-12
Also published as: JPWO2013073498A1; WO2013073498A1

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの冷却方法に関する。

従来の燃料電池システムとして、例えば特許文献１には、セルスタックを含む発電部と、発電部を収容する筐体と、筐体外から筐体内に空気を取り込むファンと、その空気をセルスタックのカソードに供給するブロアと、を備えるものが記載されている。この燃料電池システムでは、筐体外から筐体内に空気を取り込むことで、筐体内の冷却及び換気を行っている。

特開２００７−２０７４４１号公報

ところで、上述したような発電部を収容する筐体には、例えば燃料電池システムの施設内への設置等の観点から、気密性の確保が要求される場合がある。そのような場合には、筐体外から筐体内に空気を取り込むファンを筐体に設置することはできない。

そこで、本発明は、発電部を収容する筐体に気密性を持たせたとしても、筐体に収容された発電部を効率良く冷却することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの冷却方法を提供することを課題とする。

本発明の一観点の燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電を行う固体酸化物形のセルスタックと、水素含有燃料を改質して水素含有ガスを生成する水素発生部と、を含む発電部と、発電部を収容する筐体と、セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスと、液体の熱媒体とを流通させ、燃焼ガスから熱媒体に熱を移動させて熱媒体を加熱する
熱交換器と、熱交換器に対して熱媒体を流通させる複数の熱媒体流路と、を備え、熱媒体流路は、貯湯槽から循環供給される水を、発電部から熱を移動して発電部を冷却した後に熱交換器に流入させる流路と、水素発生部に流入させる水を、発電部から熱を移動して発電部を冷却した後に熱交換器に流入させる流路と、を備える。

この燃料電池システムでは、発電部から熱媒体に熱を移動させて発電部を冷却するように熱媒体流路が設けられている。従って、この燃料電池システムによれば、発電部を収容する筐体に気密性を持たせたとしても、筐体に収容された発電部を効率良く冷却することができる。なお、気密性とは、筐体への導入が予定されている気体以外の外気に対して気密であることを意味する。

また、筐体は、気密性を有していてもよい。この場合にも、筐体に収容された発電部を効率良く冷却することができる。

また、熱媒体流路は、発電部の外壁にジグザグ状に敷設されていてもよい。さらに、熱媒体流路は、発電部の外壁において複数に分岐していてもよい。これらによれば、発電部と熱媒体流路との接触面積を増加させることができるので、発電部と熱媒体流路との間における熱交換を確実化することができる。

本発明によれば、筐体に収容された発電部を効率良く冷却することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムのブロック図である。本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概念図である。本発明の第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。本発明の第３実施形態の燃料電池システムの概念図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］

図１に示されるように、第１実施形態の燃料電池システム１は、脱硫部２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部６と、水素含有燃料供給部７と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、を備えている。燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。燃料電池システム１におけるセルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略してもよい。

水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。

酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。

脱硫部２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫部２は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部２は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部４へ供給する。

水気化部３は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部４に供給される水蒸気を生成する。水気化部３における水の加熱は、例えば、水素発生部４の熱、オフガス燃焼部６の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図１では、一例としてオフガス燃焼部６から水素発生部４へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。

水素発生部４は、脱硫部２からの水素含有燃料を用いて水素リッチガスを発生させる。水素発生部４は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。水素発生部４は、水素リッチガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。

セルスタック５は、水素発生部４からの水素リッチガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、水素リッチガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。なお、水素発生部４が備えている燃焼部（例えば、改質器を加熱する燃焼器など）をオフガス燃焼部６と共用してもよい。

オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水素発生部４へ供給され、水素発生部４での水素リッチガスの発生に用いられる。

水素含有燃料供給部７は、脱硫部２へ水素含有燃料を供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８、及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動する。

パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。

制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。

上述した第１実施形態の燃料電池システム１は、図２に示されるように、外部の空気に対して気密性を有する筐体２１を備えている。筐体２１は、発電部２２をはじめとして、上述した各機器類を収容している。発電部２２は、水素リッチガス（水素含有ガス）を用いて発電を行うセルスタック５を含んでモジュール化されたものである。発電部２２は、少なくともセルスタック５を含むものであって、さらにオフガス燃焼部６や水素発生部４等を含む場合もあれば、オフガス燃焼部６や水素発生部４等を含まない場合もある。

筐体２１内には、熱交換器２３が収容されている。熱交換器２３は、セルスタック５から排出されるオフガスの燃焼ガス（すなわち、オフガス燃焼部６からの排ガス）、及び水を流通させることで、燃焼ガスから水に熱を移動させて水を加熱する。この水は、例えば、燃料電池システム１が設置された施設に湯を供給するための貯湯槽に貯留されて、その貯湯槽から熱交換器２３に循環供給されたものである。

熱交換器２３には、例えば貯湯槽から循環供給された水を熱交換器２３に流入させる水流路（熱媒体流路）２４、及びその水を熱交換器２３から流出させる水流路２５が接続されている。水流路２４は、発電部２２から水に熱を移動させて発電部２２を冷却するように、発電部２２の外壁にジグザグ状に敷設されている。これにより、発電部２２と水流路２４との間における熱交換を確実化することができる。一方、水流路２５は、発電部２２及び熱交換器２３で加熱された水（すなわち、湯）を例えば貯湯槽に帰還させる。

以上説明したように、第１実施形態の燃料電池システム１では、熱交換器２３に水を流入させる水流路２４が、発電部２２から水に熱を移動させて発電部２２を冷却するように設けられている。換言すれば、第１実施形態の燃料電池システム１では、セルスタック５から排出されるオフガスの燃焼ガスから熱を移動させて加熱する対象となる水を流通させて、発電部２２から当該水に熱を移動させて発電部２２を冷却する燃料電池システムの冷却方法が実施される。これにより、熱交換器２３で加熱される前の水に発電部２２から熱が移動することになる。従って、燃料電池システム１によれば、気密性（筐体２１への導入が予定されている気体以外の外気に対して気密であること）を有する筐体２１に収容された発電部２２を効率良く冷却することができる。その一方で、発電部２２及び熱交換器２３で水が加熱されるので、燃料電池システム１が設置された施設において、湯を利用することができる。
［第２実施形態］

第２実施形態の燃料電池システム１は、水流路２４が複数設けられている点で、上述した第１実施形態の燃料電池システム１と主に相違している。以下、この相違点を中心に、第２実施形態の燃料電池システム１について説明する。

図３に示されるように、第２実施形態の燃料電池システム１は、複数の水流路（熱媒体流路）２４Ａ，２４Ｂを備えている。水流路２４Ａは、熱交換器２３に接続されており、例えば貯湯槽から循環供給された水を熱交換器２３に流入させる。水流路２４Ａによって熱交換器２３に流入させられた水は、熱交換器２３に接続された水流路２５Ａによって、熱交換器２３から流出させられる。また、水流路２４Ｂは、熱交換器２３に接続されており、例えば水素リッチガスを発生させるために水素発生部４（図１を参照）で用いられる改質用の水を熱交換器２３に流入させる。水流路２４Ｂによって熱交換器２３に流入させられた水は、熱交換器２３に接続された水流路２５Ｂによって、熱交換器２３から流出させられる。

これにより、熱交換器２３には、セルスタック５から排出されるオフガスの燃焼ガス、並びに、貯湯槽から循環供給された水及び改質用の水がそれぞれ流通させられることになる。従って、熱交換器２３では、貯湯槽から循環供給された水及び改質用の水に燃焼ガスから熱が移動させられて、貯湯槽から循環供給された水及び改質用の水が加熱されることになる。なお、貯湯槽から循環供給された水は、例えば量の多い〜２００Ｌの水道水であり、その流量は、例えば１００〜２０００ｃｃ／ｍｉｎである。一方、改質用の水は、例えば量の少ない１Ｌ程度の純水であり、その流量は、例えば１〜１００ｃｃ／ｍｉｎである。このように、第２実施形態の燃料電池システム１では、各水流路２４Ａ，２４Ｂが、熱交換器２３に対して異なる種類の水を流通させる。

各水流路２４Ａ，２４Ｂは、発電部２２から水に熱を移動させて発電部２２を冷却するように、発電部２２の外壁にジグザグ状（流路が少なくとも１回折り返されている状態を含む）に敷設されている。これにより、発電部２２と各水流路２４Ａ，２４Ｂとの接触面積を増加させることができるので、発電部２２と各水流路２４Ａ，２４Ｂとの間における熱交換を確実化することができる。一方、水流路２５Ａは、発電部２２及び熱交換器２３で加熱された水（すなわち、湯）を例えば貯湯槽に帰還させる。また、水流路２５Ｂは、発電部２２及び熱交換器２３で加熱された水を水気化部３（図１を参照）に導入させる。

以上説明したように、第２実施形態の燃料電池システム１では、熱交換器２３に水を流入させる各水流路２４Ａ，２４Ｂが、発電部２２から水に熱を移動させて発電部２２を冷却するように設けられている。換言すれば、第２実施形態の燃料電池システム１では、セルスタック５から排出されるオフガスの燃焼ガスから熱を移動させて加熱する対象となる水を流通させて、発電部２２から当該水に熱を移動させて発電部２２を冷却する燃料電池システムの冷却方法が実施される。これにより、熱交換器２３で加熱される前の水に発電部２２から熱が移動することになる。従って、燃料電池システム１によれば、気密性（筐体２１への導入が予定されている気体以外の外気に対して気密であること）を有する筐体２１に収容された発電部２２を効率良く冷却することができる。

さらに、水流路２４Ａが、貯湯槽から循環供給される水を流通させるので、燃料電池システム１が設置された施設において、加熱された水（すなわち、湯）を利用することができる。また、水流路２４Ｂが、水素リッチガスを発生させるために水素発生部４で用いられる改質用の水を流通させるので、改質用の水を水気化部３で効率良く気化させることができる。
［第３実施形態］

第３実施形態の燃料電池システム１は、水流路２４が分岐している点で、上述した第１実施形態の燃料電池システム１と主に相違している。以下、この相違点を中心に、第３実施形態の燃料電池システム１について説明する。

図４に示されるように、第３実施形態の燃料電池システム１は、発電部２２の外壁において複数に分岐した水流路２４を備えている。水流路２４は、発電部２２の上流側において水流路２４_１と水流路２４_２とに分岐しており、水流路２４_１と水流路２４_２とは、発電部２２の下流側において合流している。水流路２４は、熱交換器２３に接続されており、例えば貯湯槽から循環供給された水を熱交換器２３に流入させる。水流路２４によって熱交換器２３に流入させられた水は、熱交換器２３に接続された水流路２５によって、熱交換器２３から流出させられる。

これにより、熱交換器２３には、セルスタック５から排出されるオフガスの燃焼ガス、及び貯湯槽から循環供給された水がそれぞれ流通させられることになる。従って、熱交換器２３では、貯湯槽から循環供給された水に燃焼ガスから熱が移動させられて、貯湯槽から循環供給された水が加熱されることになる。

水流路２４のうち分岐した部分である各水流路２４_１，２４_２は、発電部２２から水に熱を移動させて発電部２２を冷却するように、発電部２２の外壁にジグザグ状に敷設されている。これにより、発電部２２と各水流路２４_１，２４_２との接触面積を増加させることができるので、発電部２２と各水流路２４_１，２４_２との間における熱交換を確実化することができる。一方、水流路２５は、発電部２２及び熱交換器２３で加熱された水（すなわち、湯）を例えば貯湯槽に帰還させる。

以上説明したように、第３実施形態の燃料電池システム１では、熱交換器２３に水を流入させる水流路２４が、発電部２２から水に熱を移動させて発電部２２を冷却するように設けられている。換言すれば、第３実施形態の燃料電池システム１では、セルスタック５から排出されるオフガスの燃焼ガスから熱を移動させて加熱する対象となる水を流通させて、発電部２２から当該水に熱を移動させて発電部２２を冷却する燃料電池システムの冷却方法が実施される。これにより、熱交換器２３で加熱される前の水に発電部２２から熱が移動することになる。従って、燃料電池システム１によれば、気密性（筐体２１への導入が予定されている気体以外の外気に対して気密であること）を有する筐体２１に収容された発電部２２を効率良く冷却することができる。

以上、本発明の第１〜第３実施形態について説明したが、本発明は、上記第１〜第３実施形態に限定されるものではない。例えば、筐体２１は、気密性を有していなくてもよい。この場合にも、筐体２１外から筐体２１内に空気を取り込むためのファン等を別途筐体２１に設ける必要がないので、燃料電池システム１の構造の単純化を図ることができる。

また、第１及び第３実施形態の燃料電池システム１において、水流路２４を流通する水は、貯湯槽から循環供給される水に限定されず、水気化部３に供給される改質用の水等、その他の水であってもよい。また、第２実施形態の燃料電池システム１において、各水流路２４Ａ，２４Ｂを流通する水は、貯湯槽から循環供給される水や、水気化部３に供給される改質用の水に限定されず、その他の水であってもよい。さらに、第２実施形態の燃料電池システム１において、各水流路２４Ａ，２４Ｂを流通する水は、貯湯槽から循環供給される水等、同じ種類の水であってもよい。

また、第１及び第３実施形態の燃料電池システム１において、水流路２４と共に、あるいは水流路２４に代えて、他の液体の熱媒体（例えばグリコール類等）を流通させる１ライン又は複数ラインの熱媒体流路を設けてもよい。また、第２実施形態の燃料電池システム１において、水流路２４Ａ，２４Ｂと共に、あるいは水流路２４Ａ，２４Ｂの少なくとも１ラインに代えて、他の液体の熱媒体（例えばグリコール類等）を流通させる１ライン又は複数ラインの熱媒体流路を設けてもよい。これらの場合にも、発電部２２から熱媒体に熱を移動させて発電部２２を冷却するように熱媒体流路を設ければよい。なお、グリコール類を流通させる熱媒体流路を設ければ、グリコール類は、水よりも沸点が高いため、水よりも高温で発電部２２の熱を回収することが可能となる。

さらに、第２実施形態の燃料電池システム１において、異なる種類の水（例えば、貯湯槽から循環供給された水や改質用の水等）を流通させてもよいし、同じ種類の水を流通させてもよいのと同様に、複数ラインの熱媒体流路を設ける場合には、異なる種類の熱媒体を流通させてもよいし、同じ種類の熱媒体を流通させてもよい。

また、水流路２４は、水を熱交換器２３から流出させる流路であってもよい。この場合にも、熱交換器２３で加熱された水の温度が発電部２２の温度よりも低ければ、発電部２２を冷却することができる。そして、複数ラインの水流路２４を設ける場合には、全ての水流路２４において同じ方向に水を流通させる必要はない。これらのことは、上述した熱媒体流路についても同様である。

１…燃料電池システム、５…セルスタック、２１…筐体、２２…発電部、２３…熱交換器、２４，２４Ａ，２４Ｂ…水流路（熱媒体流路）。

Claims

水素含有ガスを用いて発電を行う固体酸化物形のセルスタックと、水素含有燃料を改質して水素含有ガスを生成する水素発生部と、を含む発電部と、
前記発電部を収容する筐体と、
前記セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスと、液体の熱媒体とを流通させ、前記燃焼ガスから前記熱媒体に熱を移動させて前記熱媒体を加熱する熱交換器と、
前記熱交換器に対して前記熱媒体を流通させる複数の熱媒体流路と、を備え、
前記熱媒体流路は、貯湯槽から循環供給される水を、前記発電部から熱を移動して前記発電部を冷却した後に前記熱交換器に流入させる流路と、前記水素発生部に流入させる水を、前記発電部から熱を移動して前記発電部を冷却した後に前記熱交換器に流入させる流路と、を備える、燃料電池システム。
前記筐体は、気密性を有している、請求項１記載の燃料電池システム。
前記熱媒体流路は、前記発電部の外壁にジグザグ状に敷設されている、請求項１または２記載の燃料電池システム。